I n te r n ati o n al   Jo u r n al   o f  El e c tr i c a l   an d   C o m p u te r   En gi n e e r i n g   (I JEC E )   V o l .   10 ,   N o .   1 ,  F e b r ua r y   2020 ,   pp .   868~ 8 80   IS S N :   2088 - 8708 ,  D O I :   10. 1 1591 / i j e c e . v 10 i 1 . pp868 - 8 80             868       Jou r n al   h o m e pa ge :  ht t p: / / i j e c e . i ae s c or e . c om / i nd e x . php / IJ E CE   U n st e a d y   st a t e   se r i e s CS T R   m o d e l i n g   o f   r e m o v a l   o f   a m m o n i a   n i t r o g e n   f r o m   d o m e st i c   w a st e w a t e r   t r e a t e d   i n   a   v e r t i c a l   f l o w   c o n st r u c t e d   w e t l a n d       A l e jan d r o   R i n c ó n 1 ,  G l o r i a  Y an e th   F l o r e z 2 ,   F r e d y   E .   H o yo s   V e l as c o 3   1 ,2 G r upo   de   I nv e s t i g a c i ón  e n   D e s a r r o l l o s   T e c no l óg i c o s   y   A m bi e nt a l e s   -   G I D T A ,     U ni v e r s i da d  C a t ól i c a   d e   M a ni z a l e s ,   C o l o m bi a   1 G r upo   de   I nv e s t i g a c i o ne s   B i o l óg i c a s   - G I B I ,   U ni v e r s i da d  C a t ó l i c a   de   M a ni z a l e s ,   C o l o m bi a   3 U ni v e r s i da d   N a c i o na l   d e   C o l o m bi a ,   S e de   M e de l l í n ,   F a c ul t a d   d e   C i e nc i a s ,   E s c ue l a   de   F í s i c a ,   C o l o m bi a       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d  A pr   22 ,   201 9   R e v i s e d  O c t   4 ,   20 19   A c c e pt e d  O c t   1 2 ,   2 019       T hi s   w o r k  s ho w s   s i m ul a t i o n  r e s u l t s   f o r   s u bs u r f a c e   v e r t i c a l   f l o w   c o ns t r uc t e d  w e t l a nd   ( V F C W )   us i ng   a   s e r i e s   C S T R   m o de l .   T h e   V F C W   c o ns i de r e d   r e c e i v e d  t he   o ut f l o w   f r o m   a   do m e s t i c   w a s t e w a t e r   t r e a t m e nt   p l a n t .     I n  a ddi t i o n ,   i t   w a s   pl a n t e d  w i t h  C y pe r us   s p.   a nd  f i l t e r   m e di a   w a s   un s a t ur a t e d.   T he   m o de l   w a s   ba s e d   o n  a n  uns t e a dy   s t a t e   m a s s   ba l a nc e   f o r   a m m o ni a ,   ni t r i t e s ,   a nd   n i t r a t e s ,   us i ng   o ne   t o   t h r e e   s e r i e s   C S T R s .   N i t r o g e n  t r a ns f o r m a t i o n  m e c ha ni s m s   c o ns i de r e d  w e r e   a m m o ni f i c a t i o n,   n i t r i f i c a t i o n,   pl a n t   u pt a ke   a nd  d e ni t r i f i c a t i o n.   T he   f o l l o w i ng   e f f e c t s   w e r e   e v a l ua t e d :    t he   num be r   o f   r e a c t i ng   C S T R s   f r o m   o ne   t o   t h r e e ;   t h e   o c c u r r e nc e   o f     t he   r e a c t i o n  i n  s e c o nd  a n d  t hi r d  C S T R s   f o r   t he   c a s e   t ha t   t h r e e   C S T R s   ho l d;   t he   us e   o f   e i t he r   e qua l   o r   d i f f e r e n t   v a l u e s   o f   r e a c t i o n  r a t e   pa r a m e t e r s   be t w e e n  C S T R s ;   a nd   t h e   d i s c r e t i z a t i o n  o f   t he   r e a c t i o n  r a t e   pa r a m e t e r s .   T h e   i nf l o w   a nd  o ut f l o w   m e a s ur e m e n t s   o f   a m m o ni um ,   ni t r i t e s ,   a nd  ni t r a t e s   w e r e   us e d   f o r   m o de l   c a l i b r a t i o n .   T he   e s t i m a t e d  pa r a m e t e r s   i nc l ud e d  t he   r e a c t i o n  r a t e   c o e f f i c i e nt s   a nd  r e a c t o r   w a t e r   v o l um e .   T he   c o e f f i c i e nt   o f   de t e r m i n a t i o n  ( R 2 )  e v i de nc e d  a   s a t i s f a c t o r y   c a pa bi l i t y   of   s i m ul a t i ng   o ut l e t   po l l ut a nt   c o n c e nt r a t i o ns .   T w o   a nd  t h r e e   r e a c t i ng   C S T R s   a c h i e v e d  s i m i l a r   R 2   v a l ue   ( 0. 54 - 0. 55) ,   w he r e a s   o ne   r e a c t i ng   C S T R   a c hi e v e d  a n  R 2   o f   0. 39 ,   a nd  t hr e e   C S T R s   w i t h  r e a c t i o n  o nl y   i n  t he   f i r s t   t a nk  a c hi e v e d  a n  R 2   o f   0. 42.   D i s c r e t i z a t i o n  o f   t he   ni t r i f i c a t i o n  r a t e   f o r   t h e   c a s e   o f   t w o   r e a c t i ng   C S T R s   l e d   t o   a n  R 2   o f   0. 94 .   T he   pa r a m e t e r   s e ns i t i v i t y   a na l y s i s   r e v e a l e d  a   s i g ni f i c a nt   e f f e c t   o f   m o de l   pa r a m e t e r s   o n  t he   R 2   v a l u e .   Ke y w or d s :   N i t r o ge n   r e m o v a l   S e r i e s   CS T R     V F CW   m o de l l i n g     W e t l a n d  m o de l l i ng   C opy r i gh t   ©   2020   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e d  E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e .    A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   F r e dy   E .   H oy os   V e l a s c o ,   F a c ul t a d  de   Ci e n c i a s ,   E s c ue l a   de   F í s i c a ,   U n i v e r s i da d   N a c i o n a l   de   Co l o m b i a ,   S e de   M e de l l í n,   Ca rr e r a   65   N o .   59A   –   110 ,   M e de l l í n ,   050 034 ,   Co l o m b i a .   E m a i l :   f e h oy o s ve @ u na l . e du. c o       1.   I N TR O D U C TI O N     D i s c h a rge   of   n i t r o ge n - ri c h   e f f l ue n t s   i nt o   s ur f a c e   w a t e r   c a n   re s ul t   i n   s e ve r e   e ut r o phi c a t i o n   a n d  o t h e r  i m p a c t s   o n   a qua t i c   l i f e   a n d  w a t e r   us e   [1,   2].   Co n s t ruc t e d  w e t l a n ds   (CW s )  a r e   c a pa b l e   of   r e m ov i n g  n i t r o ge n   a n d  a r e   s ui t a b l e   f o r   s m a l l   c o m m u ni t i e s   w h e r e   c o n v e n t i o na l   t r e a t m e n t   s y s t e m s   a r e   n o t   a f fo r da b l e   [2].     In   pa rt i c ul a r ,   v e r t i c a l   s ub s ur f a c e   f l ow   c o n s t r uc t e d  w e t l a n ds   ( V F CW s )  a r e   e f fe c t i ve   i n   t h e   r e m o v a l   of   o r ga n i c   m a t t e r   a n d   NH 4 - N ,   w ha t   i s   f a vo r e d  by   a e r o b i c   c o n di t i o n s   [3 ,   4].   H o w e v e r ,   de n i t r i f i c a t i o n  i s   l i m i t e d  [5 - 7].   T h e   w e t l a n d  m o de l s   a l l o w   t h e   pr e di c t i o n   of   p o l l ut a nt   r e m o v a l   a nd  t h e   e s t i m a t i o n   o f   t h e   e ff e c t i ve   a r e a .   I n   f a c t ,   t h e y   c o r r e l a t e   i n l e t   a n d  o ut l e t   po l l u t a nt   c o n c e nt r a t i o n s ,   a n d  t h e y   a l l ow   de t e r m i n i ng  t h e   l a nd  of  f ul l - s c a l e   w e t l a n ds   t h a t   i s   r e qui r e d   f o r   a t t a i ni n g   t h e   t a rge t   o ut l e t   c o n c e n t ra t i o n  o f   di f fe r e n t   po l l u t a nt s   [8 - 10] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m p  E n g     IS S N :   2088 - 8708       U ns t e ad y   s t at e   s e r i e s   CST R   m od e l i ng  of   r e m ov al   of   am m on i a  ni t r oge n  f r om   dom e s t i c   …   ( A l e j an dr o  R i n c ón )   869   T r a c e r   s t udi e s   f o r   V F CW   i n d i c a t e   t ha t   f l o w   pa t t e rn   i s   b e t w e e n   pl ug  f l o w   a n d  c o m pl e t e   m i xi n g   ra t h e r   t ha n   i de a l   f l o w   be h a v i o r .   A l s o ,   t h i s   i s   c o n f i rm e d  by   t h e   qua l i t a t i v e   s h a pe   of   t h e   e ff l ue n t   c ur v e   w h i c h  i n v o l ve s   a   pe a k  a nd  a   l o n g  f l a t   t a i l   [11 - 13] .   T h e   a r gu m e n t   o f  s uc h   b e h a v i o r   i s   t h a t   t h e   di r e c t i o n   o f   t h e   f l ow   of  w a s t e w a t e r   a t   e a c h   po i nt   o f   t h e   t ra j e c t o r y   t hr o ug h   t h e   pa c ki n g  m e di a   di v e r ge s   f r o m   t h e   d o w n w a r d  b ul k  f l ow   di r e c t i o n   [ 8].   I n   a dd i t i o n ,   t h e   u ni f o r m i t y   of   t h e   f l ow   i n s i d e   t h e   f i l t e r  b e d  i s   i n f l ue n c e d  by   t h e   de gr e e   of  s a t u ra t i o n ,   a s   i n d i c a t e d  by   t h e   di m e n s i o nl e s s   v a r i a n c e .   I nde e d,   t h e   de g r e e   of   l o c a l   m i xi ng  i n c r e a s e s   a s     t h e   s a t u ra t i o n   o f   t h e   be d   de c r e a s e s .   In   t h e   c a s e   of   un s a t u ra t e d  c o n di t i o n s ,   l o c a l   m i xi n g  i s   e nha n c e d   b y     t h e   o c c ur r e n c e   o f   di ff e r e n t   f l ow   pa t h s   [14] .     A   ri go r o us   m e c ha n i s t i c   a p p r o a c h   to   m o de l i n g   V F CW s   c o n s i de r s   pl ug  f l o w   w i t h   l o n gi t ud i n a l   di s pe r s i o n   a nd  v a ri a b l y   s a t ur a t e d  c o n di t i o n s .   It   ha s   b e e n   us e d   fo r   b o t h   V F CW   a n d  s ub s ur f a c e   h o r i z o nt a l   f l ow   c o n s t r uc t e d  w e t l a nd  (H F CW ),   a c hi e v i n g  a c c ura t e   p r e d i c t i o n s   [11 ,   15 ].   N e v e r t h e l e s s ,   t h e   r e s ul t i n g   m o de l   i n v o l ve s   c o m pl e x  pa r t i a l   di f f e r e n t i a l   e qua t i o n s   i n   t e rm s   o f   t i m e   a n d  v e r t i c a l   di r e c t i o n ,   w hi c h   l i m i t s   i t s   a ppl i c a t i o n   f o r  CW   de s i g n  [1 4 ,   1 6 ].   In  c o n t r a s t ,   s e r i e s   CS T R s   m o de l i n g   a p p r o a c h   a l l o w s   fo r   p ra c t i c a b l e   ha n d l i n g ,   a n d  a l s o   a   de t a i l e d  de s c r i pt i o n   o f   t h e   di f f e r e n t   p r o c e s s e s .   It   h a s   p r o v e d  s ui t a b l e   fo r   de s c r i b i n g  n o n i de a l   p l ug  f l o w   i n   V F CW s ,   a c hi e v i n g  a c c u r a t e   s i m ul a t i o n s ,   e v e n   fo r   t h e   c a s e   of   l a r ge - s c a l e   [17].   It   ha s   b e e n   us e d  fo r   di f fe r e n t   de g r e e s   o f  V F CW   b e d  s a t u r a t i o n:   u n s a t u ra t i o n   [18] ,   21  a n d  42%  s a t u ra t i o n   [13]  a n d  f ul l   s a t u ra t i o n   [16] .   I n   [19]  t r a c e r   e xpe r i m e nt s   w e r e   pe r f o r m e d  o n   a   pi l o t   s c a l e   V F CW ,   w i t h   b e d  s a t u r a t i o n   a nd  a rt i f i c i a l   a e r a t i o n ,   a n d  l o a di n g   i n   b o t h   c o n t i n uo us   a n d  i n t e r m i t t e nt   m o de .   T h e   c a l i b r a t i o n  of   t h e   ga m m a   d i s t ri b ut i o n   m o de l   y i e l de d  o n e   CS T R .   I n   [13]   t ra c e r   e xpe ri m e n t s   w e r e   c o n duc t e d  o n   a   pi l o t - s c a l e   V F CW   w i t h   i n t e rm i t t e n t   l o a d i n g  a n d  a t   21%  a nd  41%  b e d  s a t u ra t i o n.   T h e   m o de l   us e d  c o m pr i s e d  s e r i e s - pa r a l l e l   CS T R s   unde r   n o n - s t a t i o n a r y   c o n di t i o n s :   t w o  CS T R s   w e r e   c o n n e c t e d   i n   s e ri e s ,   t h e   l a s t   o n e   be i n g   c o nn e c t e d  t o  a   s i de   CS T R .     T h i s   c o n f i gu ra t i o n   a i m e d  a t   a dd r e s s i n g  t h e   s h a pe   o f   t h e   t ra c e r   r e s po n s e   c ur v e :   t h e   s e r i e s   CS T R s   a c c o un t   f o r   t h e   pe a k ,   w h e r e a s   t h e   s i de   CS T R   a c c o un t s   f o r   t h e   l o n g   f l a t   t a i l .     D e t a i l e d  m o de l i n g   i n v o l v e s   t h e   s o r pt i o n   p r o c e s s   a n d  t h e   e ff e c t   of  t e m pe r a t u r e ,   pH ,   h e t e r o t r o phi c   b i o m a s s   a n d  d i s s o l v e d  o x y g e n ,   r e s ul t i ng  i n   a   l a r ge   n u m b e r   of   pa r a m e t e r s .   T o   de t e r m i n e   t h e m ,   t h e   f o l l ow i n g   s t ra t e gi e s   a r e   c o m m o n l y   ut i l i z e d:   i )   t o   t a ke   s o m e   pa r a m e t e r s   f r o m   l i t e ra t u r e ,   s o   t h a t   t h e y   c o rr e s po n d  t o   di f fe r e nt   c o n di t i o n s ,   t h us   l i m i t i ng  t h e   m o de l   f i t t i n g  a c c u r a c y ;   i i )  t o   d e t e rm i n e   s o m e   of  t h e   pa ra m e t e r s   f r o m   i n   s i t u  m e a s u r e m e n t s ,   f o r   i n s t a n c e ,   a ds o r pt i o n   i s o t h e rm   p a ra m e t e r s   [20 ,   21].   A s   t hi s   l i m i t s   t h e   m o de l   a ppl i c a b i l i t y ,   i t   i s   r e c o m m e nde d  t ha t   t h e   m o de l   ha s   t h e   l o w e s t   n u m b e r   o f   pa ra m e t e r s   a s   po s s i b l e   [22].   In   [16]  a   m o de l   w a s   pr o po s e d   f o r   do m e s t i c   w a s t e w a t e r   t re a t m e n t   i n   a   V F CW .   T h e   w a t e r   f l ow s   upw a r ds   s o   t ha t   t h e   f i l t e r   m e di a   r e m a i n s   s a t u ra t e d .   T h e   f i l t e r  m e di a   c o n s i s t e d  o f   t hr e e   l a y e r s :   a n  uppe r   l a y e r   i n v o l v i n g  pl a n t   g r o w t h;   a   m e di u m   l a y e r   i n v o l v i n g  po l l ut i o n   r e m o v a l ,   a n d  a   l o w e r   l a y e r   fo r   f l ow   di s t ri b ut i o n.   T h e   f l ow   r a t e   a n d  po l l u t a nt   c o n c e n t ra t i o n s   w e r e   m e a s ur e d   a t   w e t l a n d  i n f l o w ,   w e t l a n d  o ut f l ow   a n d  at   e a c h  l a y e r .   T h e   m o de l   m a s s   b a l a n c e   c o n s i de r s   t hr e e   un s t e a dy   s e ri e s   CS T R s ,   e a c h   CS T R   i s   r e l a t e d  t o   o n e   f i l t e r   m e di a   l a y e r .   T h e   t r a n s f o r m a t i o n   m e c h a ni s m s   c o n s i de r e d   a r e   n i t r i f i c a t i o n,   de ni t ri f i c a t i o n ,   p l a nt   n ut ri e n t   upt a ke ,   a n d  f i l t e r   m e di a   a ds o r pt i o n .   T h e   s t a t e   v a r i a b l e s   a r e   t he   c o n c e n t r a t i o n s   o f  o r ga n i c   ni t r o ge n,   N H 4 - N   a n d   (N O 2 - + N O 3 - ) .   T h e   r e a c t i o n   r a t e s   a c c o un t   f o r   t h e   e ffe c t   of  t e m pe ra t u r e ,   pH ,   di s s o l v e d  o x y g e n   (D O )  a n d   a m m o n i um   ni t r o ge n   (A N ) ,   w i t h   a   M o n o d  ki n e t i c s   i n   t e rm s   of   A N   a nd  D O .   T h e   ra t e   o f   pl a n t   g r o w t h   i s   a s s um e d  c o n s t a nt ,   a s   w e t l a n d  p l a nt s   ha d  a l r e a dy   t a ke n   s ha pe .   T h e   m o de l   pa ra m e t e r s   a r e   di f f e r e n t   f o r   e a c h   CS T R ,   a n d  t h e   w a t e r   v o l um e   a t   e a c h   CS T R   w a s   s e pa r a t e l y   c a l c ul a t e d  b a s e d  o n   t h e   f i l t e r   m e di a   po r o s i t y   f o r   t h e   c o r r e s po n d i n g  l a y e r .   E a c h  CS T R   m o de l   w a s   c a l i b ra t e d   by   us i n g  t h e   c o n c e nt r a t i o n  m e a s u r e m e n t s   o f    t h e   c o rr e s po n di n g  l a y e r .   T h e   m a i n   l i m i t a t i o n   i s   t h a t   t h e   m o de l   c a l i b r a t i o n   r e qu i r e s   de t e r m i na t i o n   o f   l a y e r   po r o s i t y ,   a n d   m e a s u r e m e n t s   o f   f l ow   r a t e ,   po l l ut a nt   c o n c e n t ra t i o n s ,   pH   a nd  D O   i n  e a c h   l a y e r .     In   [ 22]   a   m o de l   w a s   pr o po s e d  fo r   a   r e t e n t i o n   s o i l   f i l t e r   (R S F ).   T h e   R S F   i s   a   V F CW   t ha t   i s   c o m b i n e d   w i t h   a   r e t e n t i o n   b a s i n   a nd  i s   us e d   fo r   t r e a t i n g  c o m b i n e d  s e w a ge   ov e r f l ow   (CS O ).   T h e   l a y e r s   of   f i l t e r   m e di a   a r e   de t e nt i o n  z o n e ,   uppe r   g ra v e l   l a y e r ,   s a nd  l a y e r ,   a n d   d r a i n a ge   l a y e r .   A c c o r di ngl y ,   t h e   m o de l   c o n s i de r s   t hr e e   l a y e r s :   r e t e nt i o n  l a y e r ,   p r o c e s s   l a y e r ,   a n d  d r a i n a ge   l a y e r .   T h e   m a s s   b a l a n c e   c o n s i de r s   t hr e e   u n s t e a dy   s e r i e s   CS T R s ;   e a c h   CS T R   i s   r e l a t e d  t o   o n e   l a y e r .   T h e   c a l c ul a t i o n   of   vo l um e s   a n d  f l ow   r a t e s   of   e a c h   l a y e r   i s   b a s e d   o n   t h e   f l ow   i n f i l t r a t i o n   t hr o ug h   l a y e r s .     In   t h i s   w o r k,   do m e s t i c   w a s t e w a t e r   t r e a t e d  i n   a n  u n s a t u r a t e d  V F CW   i s   m o de l e d.   T h e   m o de l   i s   b a s e d  o n   u n s t e a dy   m a s s   b a l a n c e   f o r   o n e   t o   t hr e e   s e r i e s   CS T R s .   T h e   s t a t e   v a ri a b l e s   a r e   a m m o n i um   n i t r o ge n   c o n c e n t r a t i o n   a n d  (N O 2 - + N O 3 - )  c o n c e n t ra t i o n.   T h e   m o de l   i s   c a l i b ra t e d   by   m i n i m i z a t i o n   o f   t h e   s um   o f   t h e   s qua r e d  e rr o r s   b e t w e e n   m o de l   a n d  d a t a .   T h e   m a i n   c o nt r i b ut i o n s   o f   t h i s   s t udy   a r e   a s   f o l l ow s :   i )  t h e   m o de l   i s   c a l i b r a t e d  us i n g  c o n c e nt ra t i o n s   m e a s u r e d  a t   CW   i n f l o w   a n d   o ut f l ow ,   a s   c o n c e n t r a t i o n s   a t   e a c h   f i l t e r   l a y e r   w e r e   u n k n o w n ;   i i )   a l l   m o de l   p a r a m e t e r s   a r e   e s t i m a t e d  by   m i ni m i z a t i o n   a n d   n o n e   i s   b o r r o w e d  f r o m   o t h e r   s t udi e s ;   i i i )  t h e   v o l um e s   of   t h e   s e r i e s   CS T R s   a r e   e s t i m a t e d  i n s t e a d  o f   be i n g  de t e r m i n e d  f r o m   di r e c t   CW   m e a s u r e m e nt s ;   i v )  t h e   pa ra m e t e r   s e n s i t i v i t y   i s   d e t e r m i n e d  fo r   e a c h   p a r a m e t e r,   a s   t h e   e ffe c t   o f  m o de l  pa r a m e t e r s   o n   t h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i n a t i o n .   A l s o ,   t h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i na t i o n  i s   e v a l ua t e d  f o r     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m p  E n g ,   V o l .   10 ,   N o .   1 ,  F e b r ua r y   2020  :     86 8   -   8 80   870   t h e   e ffe c t   of   t h e   fo l l ow i n g  m o de l   f e a t u r e s :   t h e   n u m b e r   o f   r e a c t i n g  CS T R s   f r o m   o n e   t o   t hr e e ;   t h e   o c c ur r e n c e   of   r e a c t i o n   i n   s e c o n d  a n d  t h i r d  CS T R s   f o r   t h e   c a s e   t h a t   t hr e e   CS T R s   h o l d;   t h e   us e   of   e i t h e r   e qua l   o r   di f f e r e n t   v a l ue s   of   r e a c t i o n   ra t e   pa ra m e t e r s   b e t w e e n   CS T R s ;   a n d  f i na l l y   t h e   di s c r e t i z a t i o n   o f   t h e   r e a c t i o n    ra t e   p a r a m e t e r s .       2.   M ET H O D S   2 . 1 .     A   b r i e f  r e v i e w   o f  p o l l u tan t  r e m o v al   i n   S S F C Ws   N i t r o ge n   r e m o v a l   i n   CW s   e n c o m pa s s e s   a   n um b e r   of   c o m pl e x  pr o c e s s e s ,   i n c l udi ng  a m m o ni f i c a t i o n ,   ni t ri f i c a t i o n - de ni t ri f i c a t i o n,   a ds o r p t i o n,   up t a ke   by   pl a n t s   a n d  upt a ke   by   m i c r o o r ga ni s m s   [ 2].   N ut r i e nt   r e m o v a l   i n   S S F CW s   c o m pr i s e s   a   l i m i t e d  e f fe c t   of   pl a n t   a b s o r pt i o n  i n   c o m pa ri s o n   t o   b i o l o gi c a l   de gra da t i o n .   I nde e d,     i n   t h e   c a s e   o f   h i gh  n ut ri e n t   l o a d i n gs ,   pl a n t   u pt a ke   i s   n e gl i g i b l e   i n   c o m pa ri s o n   t o   m i c r o b i a l l y - m e di a t e d  r e m o v a l   [19] .   T h e   a m o u n t   o f   n i t r o ge n   pl a n t   u pt a ke   de pe n ds   o n   t h e   pl a n t ’s   g r o w t h   r e qu i r e m e nt s   r a t h e r   t ha n   ni t r o ge n  l o a di ng  [23,   24] .     T h e   ni t r o ge n   r e m o v a l   i n   S S F CW s   de pe n ds   o n   h y dr a ul i c   r e t e n t i o n   t i m e   (H R T ),   t e m pe ra t u r e ,   v e g e t a t i o n   t y pe   a n d  t h e   f i l t e r   m e di a   [25 ].   B i o l o gi c a l   n i t r i f i c a t i o n   a n d  de n i t r i f i c a t i o n   a r e   r e g a r de d  a s   t h e   m a i n   pr o c e s s e s   fo r   t h e   r e m o v a l   o f   a m m o n i a   i n  s ub s ur f a c e   f l ow   c o n s t r uc t e d  w e t l a n ds   (S S F CW s )  [2] .   It   ha s   b e e n   n o t e d   t h a t   n i t r i f i c a t i o n   i s   t h e   l i m i t i ng  s t e p  f o r   n i t r o ge n   r e m ov a l .   N i t ri f i c a t i o n   i s   s t r i c t l y   a e r ob i c ,   a n d  i t   o nl y   o c c ur s   i f   D O   i s   a v a i l a b l e   [26].   It   i s   de pe n de nt   o n   di s s o l v e d   ox y ge n ,   pH   a n d  t e m pe r a t u r e .   T h e   n i t ri f i c a t i o n   ra t e   i s   s i g ni f i c a nt l y   a ff e c t e d  by   D O   a n d  pH ,   w h e r e a s   t e m pe ra t u re   ha s   a   l o w e r   e ffe c t   [16].   A e r a t i o n   s i g ni f i c a n t l y   e nh a n c e s   ni t r i f i c a t i o n,   w h e r e a s   l o w   o x y ge n   c o n c e n t ra t i o n   a nd  t e m pe ra t u r e   h a v e   a   de c r e a s i n g  e f fe c t   [27,   2 8].   T h e   o pt i m u m   pH   r a nge   i s   7 . 0  -   9. 0 ;   w h e r e a s   pH   b e l ow   7. 0  h a s   a n   a dv e r s e   e ffe c t   [16].   A   hi g h   c o nt e nt   o f  o r ga ni c s   l e a ds   t o  n i t ri f i c a t i o n   i nh i b i t i o n   b e c a us e   h e t e r o t r o phi c   o r ga n i c   de gra d a t i o n   de pl e t e s   t h e   di s s o l ve d   o x y g e n   [29 ,   30] .   In  [25]  ni t r o ge n  a nd  o r g a n i c s   r e m o v a l   e ff i c i e n c i e s   w e r e   r e po rt e d  f o r   V F CW s   i n   t r o pi c a l   a nd  s ub t r o pi c a l   r e gi o n s .   T h e r e i n,   N H 4 + - N   r e m o v a l   pe r c e n t a ge s   ra n ge   f r o m   45%  t o   99%  (a v e ra ge   o f   66%),   a n d   o ut f l ow   N H 4 + - N   i s   be l ow   52. 0  m g/ L   w i t h   a v e r a ge   o f   18. 0  m g/ L ,   w h e r e a s   B O D   r e m o v a l   e ff i c i e n c i e s   a v e r a ge   88%.   I n   [31]  ni t ri f i c a t i o n   ra t e s   i n   V F CW s   w e r e   r e po r t e d,   w hi c h   ra n ge d  f r o m   0. 01  t o   2. 15  g  N / (m 2 d a y ),   w i t h  a n   a v e ra ge   o f   0. 048  g  N / (m 2 d a y ).   It   h a s   b e e n   o b s e r ve d  t h a t   b a c kgr o un d   c o n c e n t ra t i o n   f o r   a m m o n i a   r e m o v a l   i s   n e a rl y   z e r o   [24].     2. 2 .     S ys te m   d e s c r i p ti o n   In   t hi s   s t udy ,   t h e   V F CW   e xpe r i m e n t   r e po r t e d  by   [32]   i s   c o n s i de r e d .   T h e   s y s t e m   i s   l oc a t e d  a t   P e r e i ra   (Co l o m b i a )  a n d  pl a nt e d  w i t h   Cy pe r us   s p.   It   r e c e i v e s   t h e   o ut fl o w   f r o m   a   do m e s t i c   w a s t e w a t e r   t r e a t m e n t   p l a nt ,   w h i c h   i n c l ude s   a   s e pt i c   t a n k  a nd  a n   upf l o w   a n a e r o b i c   f i l t e r .   T h e   l e n g t h ,   w i dt h,   a n d   de p t h   o f   t h e   V F CW   a r e   8. 65  m ,   5. 0  m ,   a n d  0. 80  m ,   r e s pe c t i v e l y ,   r e s ul t i ng  i n   a   s u r f a c e   a r e a   o f   43. 25m 2 .   T h e   po r o us   m e di a   c o n s i s t s   of  m e di um   a nd  t hi c k  s i z e   g r a v e l .   T h e   d a t a   w e r e   t a ke n   o n   a   w e e kl y   b a s i s   ov e r   t e n  w e e ks ,   s t a rt i ng  i n  M a r c h   2012 .   T h e   i n f l ow   w a s   i n t e rm i t t e nt   do w n f l ow ,   w i t h   t hr e e   pul s e s   p e r   h o ur.   T h e   a v e r a ge   i n f l ow   di s c h a r ge   w a s   314   L / h,   a nd   t h e   h y dr a u l i c   l o a di ng  r a t e   w a s   17. 4  c m / d .   T h e   i n f l ow   p H   r a n ge d  f r o m   7 . 4  t o   7. 6   (a v e r a ge   of   7. 5),   w h e r e a s   t h e   o ut f l ow   p H   r a n ge d  f r o m   7. 46  t o   7. 61  (a v e ra g e   of   7. 5).   T h e   i n f l o w   w a t e r   t e m pe ra t u r e   ra n ge d  f r o m   24. 0  t o   26. 0° C  (a v e ra ge   o f   25° C),   a n d  t h e   o ut f l ow   t e m pe ra t u r e   ra n ge d  f r o m   25 . 0  t o   27. 0° C  (a v e ra ge   26° C) .   T h e   i n f l o w   CO D   r a n ge d  f r o m   208 . 7  t o   318. 8  m g/ L   (a v e r a ge   o f   249. 1  m g / L )  a n d  t h e   i n f l o w   N O 3 -   ra n ge d  f r o m   3. 9  t o   7. 9  m g/ L   (a v e ra ge   5. 0  m g / L ).   T h e   o ut f l ow   N O 3 -   r a n ge d  f r o m   3. 9  t o   48. 8  m g / L     (a v e r a ge   2 7. 8   m g/ L ).     T h e   i n f l o w   B O D   r a n ge d  f r o m   72. 4  t o   203 . 0  m g / L   (a v e r a ge   o f   118, 2  m g / L )  a n d   t h e   B O D   l o a di n g   a v e r a ge d  20. 6  g / ( m 2 d) ,   w h e r e a s   t h e   o ut f l ow   B O D   r a n ge d  f r o m   7. 01  t o   45. 6  m g / L   (a v e r a ge   o f   21. 5  m g/ L ,   a n d   81. 8  %  r e m o v a l ).   T hi s   r e m o v a l   pe r c e nt a ge   (8 1. 8 %)  i s   b e l ow   t h e   a v e r a ge   (88%)   r e po r t e d  by   [25].   T h e   i n f l ow   NH 4 + - N   r a n ge d  f r o m   170. 9  t o   206. 0  m g/ L   (a v e ra ge   192. 1  m g/ L ),   t h e   o ut f l ow   N H 4 + - N   r a n ge d  f r o m   93. 6  t o   145. 1  m g / L   (a v e r a ge   121 . 7  m g/ L ) ,   w i t h   36 . 6%  a v e r a ge   r e m ov a l .   T hi s   r e m o v a l   pe r c e n t a ge   (36. 6 %)  i s   b e l ow   t h e   ra n ge   (45   t o   99%) ,   a nd   t h e   a v e r a ge   (66% )  r e po r t e d  b y   [25],   w h e r e a s   t h e   a v e r a ge   o ut f l ow   N H 4 + - N   i s   a b ov e   t h e   h i g h e s t   v a l ue   (52. 0  m g/ L )   r e po r t e d  t h e r e i n .     T h e   hi g h   o ut f l ow   c o n c e n t r a t i o n s   o f   n i t ri t e   a n d  n i t ra t e s   a r e   due   t o   t h e   l ow   de n i t r i f i c a t i o n   c a p a b i l i t y ,   w h a t   i s   t y pi c a l   of   pr o pe r l y   a e r a t e d  V F CW s .   T h e   t i m e   c our s e s   o f   o ut f l ow   a m m o ni um   a n d  (N O 2 - + N O 3 )   i n v o l ve d  un e xpe c t e d  e ffe c t s ,   m a i n l y   a b r upt   c ha n ge s .   O ut f l o w   a m m o n i a   e xhi b i t e d  a n   i n i t i a l   i n c r e a s e   a n d  a n  a b r up t   de c r e a s e   a f t e r   c a .   35  d a y s ,   w h e r e a s   o ut f l ow   (N O 2 - + N O 3 - )   e xhi b i t e d  a   s i g n i f i c a nt   i n c r e a s e   f r o m   5  m g/ L   a t   t h e   i ni t i a l   t i m e ,   t o   c a .   60  m g/ L   i n   t h e   l a s t   t e n   da y s .   T h e s e   a b r up t   c ha n ge s   a r e   a t t r i b ut a b l e   t o   t h e   a d a pt a t i o n  of   t h e   w e t l a n d  t o   t h e   i n c o m i ng  w a s t e w a t e r   duri n g  t h e   s t a r t - up  p r o c e s s .   T h i s   i s   c o n c l ude d  b e c a us e   w e t l a n d   a da p t a t i o n  t o   w a s t e w a t e r   l a s t e d  o nl y   o n e   m o nt h   [3 2],   a nd  s i m i l a r   e f f e c t s   a r e   e x h i b i t e d  by   t h e   H F CW   s t a rt - up   de s c r i b e d  by   [24].   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m p  E n g     IS S N :   2088 - 8708       U ns t e ad y   s t at e   s e r i e s   CST R   m od e l i ng  of   r e m ov al   of   am m on i a  ni t r oge n  f r om   dom e s t i c   …   ( A l e j an dr o  R i n c ón )   871   CW s   s t a r t - u p  i n v o l v e s   t h e   e s t a b l i s hm e n t   o f   s o r pt i o n   p r o c e s s   a n d  a da p t a t i o n   o f   t h e   m i c r o b i a l   c o m m uni t y   t o   t h e   l o a di ng  a n d  a e ra t i o n.   T h e s e   e ff e c t s   c a n   o c c ur   f o r   m a n y   m o n t h s ,   t h us   a f f e c t i n g   t h e   r e m o v a l   pe r c e n t a ge   [2 3 ,   2 4 ] .   A n   e x a m p l e   o f   n i t r o ge n   pe r f o r m a n c e   i n   H F CW   s t a r t - up  i s   s h o w n   by   [24].   T h e   t i m e   c o ur s e   of   a m m o n i a   o ut f l ow   c o n c e n t ra t i o n   i n v o l v e s   a n   i n c r e a s e ,   a   s m o o t h   de c r e a s e ,   a n d  a n   a b r upt   de c r e a s e ,   s uc h   t ha t   t h e   c o rr e s po n d i n g  r e m o v a l   pe r c e n t a ge   c o m p r i s e s   a   de c r e a s e ,   a n   i n c r e a s e ,   a nd  a n   a b r up t   i n c r e a s e .   In   c o n t ra s t ,   t h e   o ut f l ow   n i t r a t e   c o n c e n t r a t i o n   de pa rt s   f r o m   z e r o ,   f o l l ow s   a   s m oo t h   b e l l - s ha pe d  c ur v e   a l o n g   t h e   t i m e l i n e   a nd  v a n i s h e s   a t   t h e   e n d .     2 . 3 .     M as s   b al an c e   m o d e l   Co n s i de r   a m m o n i f i c a t i o n,   n i t r i f i c a t i o n,   pl a n t   upt a ke   a nd   d e n i t r i f i c a t i o n   a s   b e i n g  t h e   p r i m a r y   ni t r o ge n  r e m o v a l   a n d   f o r m a t i o n  pa t h w a y s ,   a n d  a s s um e :   i )  a m m o n i um   i s   c o n v e r t e d  t o   ni t ri t e   a nd  ni t ra t e   i n   o n e   s t e p;   i i )  p l a nt   g r o w t h   ra t e   i s   c o n s t a nt .   T hus ,   t h e   m a s s   b a l a n c e   f o r   ni t r o ge n  c o n c e n t ra t i o n s   a c r o s s   a   s i n gl e   CS T R   gi v e s   [16,   33] .      = (  −  ) −      4  = ( 4 ,  − 4 ) + − −     ( 2 − + 3 − )  = [ ( 2 − + 3 − )  − ( 2 − + 3 − ) ] + −     =      =    +  4  + 4     = − 20 ( 2 − + 3 − )  + ( 2 − + 3 − )     =       W h e r e   O N   i s   t h e   o r ga ni c   n i t r o ge n   c o n c e n t ra t i o n,   DO   i s   t h e   di s s o l ve d  o x y g e n   c o n c e n t ra t i o n,   Q   i s   t h e   f l ow   ra t e ,   V   i s   t h e   e ff e c t i v e   vo l um e ,   w h i c h   i s   t h e   pr o duc t   of   vo l um e   a n d  po r o s i t y   of   e a c h   CS T R ;   NH 4 , i n   is   t h e   i n f l o w   N H 4 + - N   c o n c e n t r a t i o n;   r a   i s   t h e   a m m o ni f i c a t i o n  ra t e ,   r n   i s   t h e   ni t r i f i c a t i o n   ra t e ,   r p   is   t h e   p l a nt   upt a ke   ra t e ,   r d   i s   t h e   de n i t ri f i c a t i o n   ra t e .   T h e   m o de l   pa ra m e t e r s   a r e   k a ,  k n ,  K DO ,  k AN ,  k d ,  k p .  C pH   i s   a   l i n e a r  f un c t i o n   o f   pH   a n d  C T   i s   a n   e xpo n e nt i a l   f un c t i o n   o f   t e m pe r a t ur e .   B o t h   M o n o d  a n d  f i r s t - o r de r   e xp r e s s i o n s   c a n   b e   us e d  t o   de s c r i b e   a m m o n i a   r e m o v a l   i n   w e t l a n ds   [2 4].   W h e n   M o n o d  ki n e t i c s   e xh i b i t   v a l ue s   o f   t h e   ha l f - s a t u ra t i o n   c o n s t a nt   s i g ni f i c a nt l y   h i g h e r   t ha n   po l l ut a nt   c o n c e nt r a t i o n   ( C< < K ),   a   f i r s t   o rde r   e xp r e s s i o n   i s   m o r e   s ui t a b l e   [34] .   T hus ,   i n   t h i s   s t u dy   bo t h   f i r s t   o rde r   a n d  M o n o d  ki n e t i c s  i n  t e r m s   o f   N H 4 + - N   c o n c e n t r a t i o n   a r e   e v a l ua t e d   fo r   t h e   n i t r i f i c a t i o n   ra t e .   It   i s   w o r t h   m e n t i o n i n g   t ha t   N O 2 -   a nd  N O 3 -   a r e   pr o duc e d  by   n i t r i f i c a t i o n   a n d  a r e   c o n s um e d  by   de n i t r i f i c a t i o n   [16 ].   I n   t h i s   s t u dy ,   e xp e r i m e nt a l   da t a   e v i de n c e d  a   s i g ni f i c a nt   f o r m a t i o n  of   (N O 2 - + N O 3 - ) ,   m e a ni n g   t ha t   t h e   de n i t ri f i c a t i o n   ra t e   ( r d )   i s   s m a l l   w i t h   r e s pe c t   t o   t h e   ni t ri f i c a t i o n  r a t e   ( r n ) .   T h e r e f o r e ,   t h e   (N O 2 - + N O 3 - )   m a s s   b a l a n c e   i s   c o n s i de r e d  i n   t h i s   s t udy ,   i n   o r de r   t o   s i m u l a t e   i t s   f o r m a t i o n .     T h e   fo l l ow i n g  f e a t u r e s   of   t h e   V F CW   a r e   c o n s i de r e d :   i )  a v a i l a b l e   V F CW   m e a s ur e m e n t s   i n c l ude d   n e i t h e r   c o n c e n t ra t i o n s   o f   o r ga n i c   n i t r o ge n   n o r   di s s o l v e d   o x y ge n ;   i i )  t h e   w a t e r   t e m pe ra t u r e   r e m a i n e d  a pp r o xi m a t e l y   c o n s t a n t ,   w h e r e i n   t h e   o ut f l ow   v a l ue s   r a n ge d  f r o m   25 . 0° C  t o   27. 0° C  a n d  a v e ra ge d  26. 0 ° C;   i i i )  pH   v a r i a t i o n s   w e r e   n e gl i g i b l e ,   a s   o ut f l ow   p H   r a n ge d  f r o m   7. 46  t o   7. 61  a n d  a v e ra ge d  7. 5 .   T h e r e f o r e ,   t h e   fo l l ow i n g  s i m p l i f i c a t i o n s   a r e   m a de :   i )  t h e   t e m pe r a t u r e   a nd  c o n c e n t ra t i o n s   o f   o r ga n i c   n i t r o ge n   a n d  D O   a r e   a s s um e d  c o n s t a nt ;   i i )  t h e   t e r m   ( r a - r p )  is   a s s um e d  t o   b e   c o n s t a nt   i n  t h e   N H 4 + - N   m a s s   b a l a n c e   ( r a - r p = k ap );   i i i )  t h e   t e r m   r n   i s   s i m pl i f i e d   as     = 4 +  + 4 + ;   o r  = 4 +     i v )  t h e   de n i t r i f i c a t i o n  r a t e   r d   i s   s i m p l i f i e d   as     = ( 2 − + 3 − )   + ( 2 − + 3 − )   o r   =     In c o r po r a t i n g   t h e s e   s i m pl i f i c a t i o n s   a nd  a rra n gi ng  t h e   n o t a t i o n,   gi v e s       = (  −  ) − +        d n in r r NO NO V Q dt dN O   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m p  E n g ,   V o l .   10 ,   N o .   1 ,  F e b r ua r y   2020  :     86 8   -   8 80   872   =   +  ;   o r   =  ;   =  ;  =   +    o r   =     W h e r e   N H in   a n d  N H   a r e   t h e   i n f l ow   a n d  o ut f l ow   N H 4 + - N   c on c e nt r a t i o n s ,   r e s pe c t i v e l y ,   w h e r e a s   NO in   a n d  N O   a r e   t h e   i n f l o w   a n d   o ut f l ow   (N O 2 - + N O 3 - )   c o n c e n t ra t i o n s ,   r e s pe c t i v e l y .     N ow ,   w e   c o n s i de r   t hr e e   s e r i e s   CS T R s ,   t o  a c c o un t   fo r   n o n - i de a l   f l ow   m i xi ng  t hr o ug h   t h e   V F CW .   P a ra m e t e r  v a l ue s   a r e   c o n s i de r e d  t o   b e   di ff e r e n t   b e t w e e n   CS T R s ,   i n  o r de r   t o   a c c o un t   f o r   t h e   f a c t   t ha t   r e m o v a l   e ff i c i e n c i e s   a n d  r e a c t i o n s   r a t e s   a r e   di f f e r e n t   b e t w e e n   f i l t e r   m e di a   l a y e r s .   A l s o ,   d i f f e r e n t   CS T R   vo l u m e s   a r e   us e d   i n   o rde r  t o   a c c o un t   f o r   d i f f e r e n t   m e di a   po r o s i t i e s .   T hi s   i s   i n   a c c o r da n c e   w i t h  [35 ],   w h o   fo un d  t ha t     NH 4 + - N   a n d  N O 3 - - N   r e m o v a l   i n  V F CW s   i s   di f f e r e n t   a l o n g  t h e   f i l t e r  b e d,   a n d  w i t h  [16] ,   w h o   us e d  di f f e r e n t   pa r a m e t e r   v a l ue s   b e t w e e n   CS T R s ,   w h e r e   e a c h   CS T R   c o rr e s po n de d  t o   o n e   f i l t e r   m e di a   l a y e r .   T h e   s ub s c r i pt   I ={ 1, 2, 3}   i n d i c a t e s   t h e   i - th   CS T R .   T h e   m a s s   b a l a n c e   f o r   t h e   c o n c e n t r a t i o n s   o f   N H 4 +   a n d   (N O 2 - + N O 3 - )  a c r o s s   t h e   t hr e e   r e a c t i n g  CS T R s   gi v e s      1  = 1 (  − 1 ) − 1 +  1     1 1 1 1 1 d n in r r NO NO V Q dt dN O   1 = 1 1  1 + 1 or   1 = 1 1 ;   1 =  1 ;  1 = 1 1   1 + 1   o r   1 = 1    2  = 2 (  − 2 ) − 2 +  2     2 2 2 2 2 d n in r r NO NO V Q dt d N O   2 = 2 2  2 + 2 or   2 = 2 2 ;   2 =  2 ;  2 = 2 2   2 + 2   o r   2 = 2   3  = 3 (  − 3 ) − 3 +  3     3 3 3 3 3 d n in r r NO NO V Q dt d NO     3 = 3 3  3 + 3 or   3 = 3 3 ;   3 =  3 ;  3 = 3 3   3 + 3   o r   3 = 3     W h e r e   NH 1 ,  NH 2 ,  NH 3   a r e   t h e   N H 4 + - N   o ut f l ow   c o n c e n t ra t i o n s   i n   f i r s t ,   s e c o n d  a n d  t h i rd  CS T R s ,   r e s pe c t i v e l y ,   w h e r e a s   NO 1 ,   NO 2 ,   a n d   NO 3   a r e   t h e   o ut f l ow   c o n c e n t r a t i o n   o f   ( NO 2 - + NO 3 - )  i n   f i r s t ,   s e c o n d  a n d  t hi r d  CS T R s ,   r e s pe c t i v e l y .   T h e   ge n e ra l   m o de l i n g   s t r uc t u r e   i s   p r e s e n t e d   i n  F i g u r e   1 .             F i gu r e   1 .   G e n e ra l   s t r uc t u r e   o f   t h e   s e r i e s   CS T R   m o de l i n g   c o nc e r ni n g   NH 4 + - N    r e m o v a l   a n d   (N O 2 - + N O 3 - )  f o r m a t i o n  i n  V F CW       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m p  E n g     IS S N :   2088 - 8708       U ns t e ad y   s t at e   s e r i e s   CST R   m od e l i ng  of   r e m ov al   of   am m on i a  ni t r oge n  f r om   dom e s t i c   …   ( A l e j an dr o  R i n c ón )   873   R e m ar k   1 .   T he   m as s   bal anc e s   f or   e ac h  CST R   c or r e l at e   pol l u t an t   c onc e n t r at i ons   at   CS T R   out f l ow   w i t h   c onc e nt r a t i o ns   at   CST R   i nf l ow .   T he   j oi n t   m as s   b al an c e s   c or r e l at e   p ol l ut an t   c on c e n t r at i ons   a t   l as t   CST R   out f l ow   ( NH ,   NO )   w i t h  c onc e nt r at i ons   a t   t h e   f i r s t   CST R   i n f l ow   ( NH in ,  NO in ) ,   w hi c h  c or r e s po nd  t o   V F CW  out f l ow   and  V F CW   i nf l ow ,   r e s p e c t i v e l y .       2. 4 .     M o d e l   c al i b r ati o n   an d   s i m u l ati o n   M o de l   c a l i b r a t i o n   us e d  t h e   da t a s e t   c o rr e s po n di ng  t o   t h e   V F CW   e xpe r i m e n t s   r e po rt e d  by   [32]   a n d   de s c r i b e d   a bov e .   T h e   o ve r a l l   f l ow r a t e   a n d  t h e   c o n c e n t ra t i o n s   o f   N H 4 + ,   (N O 2 - + N O 3 - )  a t   V F CW   o ut f l ow   a n d  i n f l ow   a r e   a v a i l a b l e ,   b ut   c o n c e n t ra t i o n s   a t   i n t e rm e di a t e   b e d  l o c a t i o n s   w e r e   n o t .   T h e r e f o r e ,   t h e   m o de l   o ut put   of   l a s t   CS T R   i s   c o m pa r e d   t o   t h e   V F CW   o ut f l ow ,   b ut   c o m pa r i s o n   o f  f i r s t   a n d  i n t e rm e di a t e   CS T R s   t o  i n t e r m e di a t e   b e d  m e a s u r e m e n t s   i s   n o t   po s s i b l e .   In  o r de r   t o   s i m ul a t e   t h e   V F CW   pe r f o r m a n c e ,   t h e   p r o po s e d   m o de l   i s   c a l i b r a t e d  by   m i n i m i z a t i o n   o f   t h e   s um   of  t h e   s qua r e d  e rr o r s   b e t w e e n   t h e   m o de l   o ut put   a n d     t h e   e xpe r i m e n t a l   d a t a ,   us i ng  t h e   l e a s t   s qua r e s   c r i t e ri o n   (s e e   A ppe n di x  A ).   M a t l a b   2014  s of t w a r e     (t h e   M a t h W o r ks   I n c . ,   N a t i c k,   M a s s . )   w i t h   t h e   ' f m i n c o n '   s ub r o ut i n e   w a s   us e d  t o   pe r f o r m   m i ni m i z a t i o n,   w i t h  t h e   o de 113  c o m m a n d  f o r   i nt e g r a t i o n   o f   di f fe r e nt i a l   e qu a t i o n s .   T h e   a f o r e m e n t i o n e d  s t a ge d  b e h a v i o r  of  a m m o n i um   n i t r o ge n   r e m o v a l   h a m pe r s   a c c u r a t e   s i m u l a t i o n;   h e n c e   di s c r e t e   pa ra m e t e r  v a l ue s   a r e   us e d.   R e a c t i o n   ra t e s   c a n  b e   m o de l e d  by   us i n g   c o e ff i c i e n t s   t ha t   t a ke   o n  di s c r e t e   v a l ue s   o ve r   t i m e ,   i n  o r de r   t o  a c c o un t   f o r   t i m e - de pe n de n t   c ha n ge s   [36] .   E x a m p l e s   o f   t h i s   t y p e   of   pa ra m e t e r s   f o r   b a t c h   b i o l o gi c a l   r e a c t i o n  a r e   p r e s e n t e d   b y   [37,   3 8] .   T h us ,   i n  t h i s   s t udy   a n  a d di t i o na l   m o de l   c a l i b r a t i o n   c a s e   i s   pe r f o r m e d ,   w hi c h  i n v o l ve s   di s c r e t e   v a l ue s   f o r   t h e   a m m o ni u m   ni t r o ge n  m o de l   p a r a m e t e r s .     T h e   p r e di c t i o n   c a p a b i l i t y   of   t h e   m o de l   w a s   a s s e s s e d   by  t h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i n a t i o n  (R 2 )    (s e e   A ppe n d i x  B ).   T h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i n a t i o n   w a s   e v a l ua t e d   f o r   t h e   e f fe c t   o f   t h e   fo l l ow i n g  m o de l   f e a t ur e s :   num b e r   o f   r e a c t i ng  CS T R s   f r o m   o n e   t o   t hr e e ;   t h e   o c c ur r e n c e   of   r e a c t i o n   i n   s e c o n d  a n d  t h i r d  CS T R s   fo r   t h e   c a s e   t ha t   t hr e e   CS T R s   h o l d;   t h e   us e   of   e i t h e r   e qu a l   o r   di f f e r e n t   v a l ue s   o f   r e a c t i o n   ra t e   p a r a m e t e r s   b e t w e e n   CS T R s ;   a n d   t h e   di s c r e t i z a t i o n  o f   t h e   r e a c t i o n  r a t e   p a ra m e t e r s   a s   s h o w n   i n  T a b l e   1 .   In  s um m a r y ,   t h e   m a i n  f e a t u r e s   o f   s i m ul a t i o n   a n d   pa ra m e t e r  e s t i m a t i o n  a r e :       M o de l   c a l i b r a t i o n  c o m pa r e d  po l l ut a n t   c o n c e n t ra t i o n s   a t   t h e   l a s t   CS T R   w i t h   c o n c e n t ra t i o n s   a t   V F CW   o ut f l ow .       A l l   m o de l   c o e ff i c i e n t s   w e r e   e s t i m a t e d  by   s um - of - s qua r e s   m i ni m i z a t i o n,   a n d   n o n e   o f   t h e m   w a s   bo rr o w e d   f r o m   o t h e r   s t u di e s ;   t h e   v o l um e s   of   t h e   t hr e e   CS T R   w e r e   di ff e r e n t ,   a n d   t h e y   w e r e   e s t i m a t e d  by   s um - of - s qua r e s   m i n i m i z a t i o n .      T h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i n a t i o n   w a s   e v a l ua t e d   f o r   t h e   e ff e c t   of   s e ve r a l   m o de l   f e a t ur e s ,   i n c l ud i n g   n u m b e r   o f   r e a c t i n g   CS T R s ,   r e a c t i o n   o c c urr e n c e ,   e qu a l / di f f e r e n t   m o de l   pa ra m e t e r s   b e t w e e n   CS T R s ,   a s   s h o w n   i n  T a b l e   1.       A n   a d di t i o na l   m o de l   c a l i b ra t i o n   w a s   pe r f o r m e d   w h i c h   i n v o l ve d  di s c r e t i z e d  v a l ue s   of   t h e   a m m o ni um   ni t r o ge n  m o de l   p a ra m e t e r s .     A l s o ,   t h e   c a pa b i l i t y   of   t h e   us e d  m o de l s   fo r   s i m ul a t i ng  V F C W   o ut f l ow   c o n c e n t ra t i o n s   o f   N H 4 +   a n d   (N O 2 - + N O 3 - )  w a s   a s s e s s e d   by   dr a w i n g  t h e   p r e di c t e d  c o n c e n t ra t i o n s   a s   a   f u n c t i o n   o f   ob s e r ve d  V F CW   o ut f l o w   c o n c e n t r a t i o n s .   T h e   p r e c i s i o n   of   t h e   e s t i m a t e d  pa r a m e t e r s   w a s   a s s e s s e d   by   t h e   s e n s i t i v i t y   a n a l y s i s   us e d     by   [39].   It   c o m p r i s e d  t h e   e f fe c t   of   e a c h   e s t i m a t e   o n   t h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i n a t i o n ,   w i t h   o n l y   o n e   e s t i m a t e   v a r i e d  a t   a   t i m e ,   a n d   a   - 50   t o   50 %  v a r i a t i o n  r a nge .       3.   R ES U LTS   A ND  DISCUSSIO N   3. 1 .     M o d e l   fi tti n g   T h e   c a s e s   of  t w o   a n d  t hr e e   r e a c t i n g  CS T R s   (m o de l s   A 1  a n d  A 2)  a c h i e v e d  s i m i l a r   f i t t i n g  qu a l i t y ,   b e i n g  h i g h e r  t ha n   i n   t h e   f o l l ow i n g  c a s e s :   o n e   r e a c t i n g   CS T R   fo l l ow e d  by   a   n o n - r e a c t i n g  CS T R   (m o de l   B 1);     a   s i n g l e   r e a c t i n g  CS T R   (m o de l   A 3);   t w o   r e a c t i n g  CS T R s ,   w i t h   m o de l   pa r a m e t e r s   b e i n g  t h e   s a m e   b e t w e e n   CS T R s   (m o de l   C1).   T h e s e   r e s ul t s   a r e   i n   a g r e e m e n t   w i t h   t h e   V F CW   s t ud y   of   [16],   w h e r e   t hr e e   r e a c t i ng  s e r i e s   CS T R s   w e r e   us e d   w i t h  m o de l   p a r a m e t e r s   b e i n g   d i f fe r e n t   b e t w e e n   CS T R s .     T h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i n a t i o n   f o r   N H 4 +  s i m ul a t i o n s   i s   s h o w n   i n  T a b l e   1.     T a k i n g  t h e   c a s e   o f   t w o  r e a c t i n g  CS T R s   (m o de l   A 2)  a s   t h e   r e f e r e n c e   m o de l   (R 2   of   0. 54) ,   t h e   f o l l ow i n g  i s   c o n c l ude d:   i )  t w o   s e r i e s   CS T R s ,   w i t h   r e a c t i o n   o n l y   i n   t h e   f i r s t   o n e   ( m o de l   B 1)  y i e l ds   a   s l i g ht   de c r e a s e   o f   R 2 ,   f r o m   0. 54  t o   0. 51;   i i )   t w o   s e r i e s   r e a c t i n g  CS T R s ,   w i t h   t h e   s a m e   m o de l   pa ra m e t e r s   e xc e pt i n g   v o l um e   (m o de l   C1)  y i e l de d   a   s i g ni f i c a nt   de c r e a s e   o f   R 2 ,   f r o m   0. 54   t o   0. 33 .   F u rt h e rm o r e ,   t h e   di s c r e t e   e s t i m a t i o n   o f   n i t r i f i c a t i o n   c oe ff i c i e n t s   (m o de l   A 2b )  r e s ul t e d  i n   a n   i n c r e a s e   of   t h e   c oe ff i c i e n t   o f   de t e r m i na t i o n   f r o m   0 . 54  t o   0. 9 4.   H e n c e ,   t h e   m o de l   c o m pr i s i n g  t w o   s e r i e s   r e a c t i ng  CS T R s   w i t h   di f f e r e n t   m o d e l   pa ra m e t e r s   a n d  d i s c r e t e   pa ra m e t e r s   i s   su i t a b l e .   T h e   o b s e r v e d  V F CW   o ut f l ow   c o n c e n t r a t i o n s   o f   N H 4 +   a n d   t h e   A 2  a n d  A 2b   m o de l   s i m u l a t i o n s   a r e   s h o w n   i n  F i g u r e   2  t o   F i gu r e   5,   c o n f i rm i ng  i t s   c o rr e l a t i o n .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m p  E n g ,   V o l .   10 ,   N o .   1 ,  F e b r ua r y   2020  :     86 8   -   8 80   874   T a b l e   1 .   E v a l ua t i o n   o f   t h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i na t i o n   f o r   N H 4 +   s i m ul a t i o n ,   a s   f un c t i o n   o f   m o de l   E v a l u a t e d   e ffe c t s   M o d e l   N u m b e r   o f  p a ra m e t e r s   Co e ff i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n   (R 2 )  fo r  N H 4 +   s i m u l a t i o n   N u m b e r   of   re a c t i n g   CS T R s .   M o d e l   A 1 :   t h re e   r e a c t i n g   C S T R s   h o l d .   M o d e l   p a ra m e t e r s   a re   d i ffe r e n t   b e t w e e n   CS T R s .   12   0 . 5 4 9   M o d e l   A 2 :   t w o   r e a c t i n g   CS T R s   h o l d .   M o d e l   p a ra m e t e r s   a r e   d i ffe r e n t   b e t w e e n   CS T R s .   8   0 . 5 4 0   M o d e l   A 2 b :   t w o   r e a c t i n g   CS T R s   h o l d .   M o d e l   p a ra m e t e r s   a re   d i ffe r e n t   b e t w e e n   CS T R s   a n d   v a r y   w i t h   t i m e .   8   0 . 9 4   M o d e l   A 3 :   o n e   C S T R  w i t h   r e a c t i o n   h o l d s .   4   0 . 3 9 1   Re a c t i o n   o c c u rr e n c e   fo r   t w o   CS T R s .   M o d e l   B1 :   t w o   C S T Rs   h o l d ,   t h e   r e a c t i o n   o c c u rs   o n l y   i n   t h e   f i r s t   o n e .   M o d e l   p a ra m e t e r s   a re   d i ffe re n t   b e t w e e n   C S T Rs .   M o d e l   p e r fo r m a n c e   i s   c o m p a re d   w i t h   m o d e l   A 2 .   5   0 . 5 1 2   U s e   o f   t h e   s a m e   m o d e l   p a ra m e t e r s   b e t w e e n   CS T R s ,   e x c e p t   v o l u m e .   M o d e l   C1 :   t w o   r e a c t i n g   C S T Rs   h o l d .   T h e   m o d e l   p a ra m e t e r s   a re   t h e   s a m e   b e t w e e n   C S T R s .   M o d e l   p e r fo r m a n c e s   i s   c o m p a r e d   w i t h   m o d e l   A 2 .   5   0 . 3 3 1   Re a c t i o n   o c c u rr e n c e   fo r   t h r e e   C S T Rs .   M o d e l   D 1 :   t h re e   CS T R s   h o l d ;   r e a c t i o n   o n l y   o c c u rs   i n   t h e   f i r s t   a n d   s e c o n d   o n e s .   M o d e l   p a ra m e t e r s   a r e   d i ffe r e n t   b e t w e e n   CS T Rs .   M o d e l   p e r fo r m a n c e   i s   c o m p a re d   w i t h   m o d e l   A 1 .   9   0 . 5 5 5   M o d e l   D 2 :   t h re e   CS T R s   h o l d ;   r e a c t i o n   o n l y   o c c u rs   i n   t h e   f i r s t   o n e .   M o d e l   p a ra m e t e r s   a re   d i ffe re n t   b e t w e e n   C S T Rs .   M o d e l   p e r f o r m a n c e   i s   c o m p a r e d   w i t h   m o d e l   A 1 .   6   0 . 4 2               F i gu r e   2 .   V F CW   o ut f l o w   c o n c e n t r a t i o n s   o f   N H 4 +   a n d   A 2  m o de l   s i m u l a t i o n s   (M o de l   A 2  c o m p r i s e s   t w o   r e a c t i n g  CS T R s ).   E xpe r i m e n t a l   v a l ue s   (s y m bo l s )    a n d  m o de l   c a l c ul a t i o n s   (s o l i d  l i n e )   F i gu r e   3 .   Co m p a r i s o n  o f   N H 4 +   c o n c e n t ra t i o n s   a t  V F CW   o ut f l ow   a n d   A 2  m o de l   s i m ul a t i o n s               F i gu r e   4 .   V F CW   o ut f l o w   c o n c e n t r a t i o n s   o f   N H 4 +   a n d   A 2b   m o de l   s i m u l a t i o n s   (A 2b   m o de l   c o m p r i s e s   t w o   r e a c t i n g  CS T R s   a n d   t i m e - v a r y i n g   pa ra m e t e r s )   F i gu r e   5 .   Co m p a r i s o n  o f   t h e   N H 4 +   c o n c e n t r a t i o n s   a t   V F CW   o ut f l ow   a n d   A 2b   m o de l   s i m ul a t i o n s   0 10 20 30 40 50 60 70 80 100 120 140 160 180 200 220 t i m e   [ d a y s ] NH 4     [ m g / L ]     NH 4 , i n NH 4 , o u t 90 100 110 120 130 140 150 90 100 110 120 130 140 150 NH 4 , o u t | e x p   [ m g / ( L ) ] NH 4 , o u t | m o d e l   [ m g / ( L ) ] 90 100 110 120 130 140 150 90 100 110 120 130 140 150 NH 4 , o u t | e x p   [ m g / ( L ) ] NH 4 , o u t | m o d e l   [ m g / ( L ) ] 90 100 110 120 130 140 150 90 100 110 120 130 140 150 NH 4 , o u t | e x p   [ m g / ( L ) ] NH 4 , o u t | m o d e l   [ m g / ( L ) ] Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m p  E n g     IS S N :   2088 - 8708       U ns t e ad y   s t at e   s e r i e s   CST R   m od e l i ng  of   r e m ov al   of   am m on i a  ni t r oge n  f r om   dom e s t i c   …   ( A l e j an dr o  R i n c ón )   875   E s t i m a t e d  pa r a m e t e r s   o f  m o de l s   A 2,   A 2 b ,   a n d   B 1  fo r   N H 4 +   s i m ul a t i o n   a r e   s h o w n   i n   T a b l e   2.     F o r   m o de l   A 2b ,   o n l y   pa r a m e t e r   k ap   e x h i b i t e d  t i m e - v a r y i n g  b e h a v i o r .     T h e   V F CW   o ut f l ow   c o n c e n t r a t i o n s   of  (N O 2 - + N O 3 - )  a n d  t h e   A 2  a n d  A 2b   m o de l   s i m ul a t i o n s   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   6   t o   F i gu r e   8,   c o n f i r m i n g  i t s   c o r r e l a t i o n .       T a b l e   2 .   M o de l   c a l i b ra t i o n   r e s ul t s   f o r   N H 4 +   s i m ul a t i o n   M o d e l   E s t i m a t e d   p a ra m e t e r s   A 2 .   M o n o d   e x p r e s s i o n   i s   u s e d   fo r   n i t ri fi c a t i o n   i n   f i r s t   C S T R,   w h e re a s   f i r s t - o rd e r   k i n e t i c s   i s   u s e d   i n   s e c o n d   CS T R.   (R 2   o f   0 . 5 4 )   F i r s t   CS T R  ( M o n o d   e x p r e s s i o n   i s   u s e d   f o r  n i t ri fi c a t i o n )   V 1 = 6 7 9 5 3 8   L   K n m x 1 = 2 1 0 0 0   m g / (L d )   K n s 1 = 1 × 1 0 6   m g / L   K a p 1 = - 0 . 2 9 5   m g / ( L d )   S e c o n d   CS T R  ( fi r s t - o rd e r   e x p r e s s i o n   i s   u s e d   f o r   n i t ri fi c a t i o n )   V 2 = 1 5 0 0 0 0   L     K n m x 2 = 0 . 0 0 7 2 2   d - 1     K a p 2 = 1 . 8 9 m g / ( L d )     A 2 b .   M o n o d   e x p r e s s i o n   i s   u s e d   fo r  n i t r i f i c a t i o n   i n   fi r s t   CS T R,   w h e r e a s   f i r s t   o rd e r   k i n e t i c s   i s   u s e d   i n   s e c o n d   CS T R  (p a ra m e t e r s   a re   t i m e   v a ry i n g )  ( R 2   o f   0 . 9 4 )   F i r s t   CS T R  ( M o n o d   e x p r e s s i o n   i s   u s e d   f o r  n i t ri fi c a t i o n ) :   V 1 = 6 7 9 5 3 8   L   K n m x 1 = 2 1 0 0 0   m g / (L d )   K n s 1 = 1 × 1 0 6   m g / L   K a p 1 = 4 . 8 3   m g / (L d )  fo r  t < 3 3 . 8 d ;   - 1 . 7 9   m g / (L d )  fo r  t   ϵ   [3 3 . 8   4 0 . 8   d ),   - 0 . 2 4 5   m g / (L d )  fo r  t   ≥   4 0 . 7 7   d     S e c o n d   CS T R  ( fi r s t   o r d e r  e x p r e s s i o n   i s   u s e d   fo r  n i t ri fi c a t i o n ) :   V 2 = 1 5 0 0 0 0   L     K n2 = 0 . 0 0 0 3 4 1   m g / (L d )    K a p 2 = - 1 . 5 3   m g / (L d )  fo r  t < 3 3 . 8 d ;   - 9 . 4 3   m g / (L d )  fo r  t   ϵ   [3 3 . 8   4 0 . 8   d ),   - 0 . 4 4 0   m g / (L d )  fo r  t   ≥   4 0 . 7 7   d   B1   (R 2   o f   0 . 5 1 )     F i r s t   CS T R   V 1 = 6 7 9 5 3 8   L   K n m x 1 = 2 1 0 0 0   m g / (L d )   K n s 1 = 1 × 1 0 6   m g / L   K a p 1 = 0 . 7 3 5 m g / (L d )   S e c o n d   CS T R   V 2 = 1 5 0 0 0 0   L               F i gu r e   6 .   V F CW   o ut f l o w   c o n c e n t r a t i o n s   o f   (N O 2 - + N O 3 - )  a n d   A 2   m o de l   s i m ul a t i o n s   (M o de l   A 2   c o m pr i s e s   t w o   r e a c t i ng  CS T R s ;   M o n o d  a n d  f i r s t - o r de r   e xp r e s s i o n s   a r e   us e d  f o r   n i t r i f i c a t i o n  i n  f i r s t     a n d  s e c o n d  CS T R s ,   r e s pe c t i v e l y ).   E xpe r i m e nt a l   v a l ue s   (s y m bo l s )  a n d   m o de l   c a l c u l a t i o n s   (s o l i d  l i n e )   F i gu r e   7 .   V F CW   o ut f l o w   c o n c e n t r a t i o n s   o f   (N O 2 - + N O 3 - )  a n d   A 2b   m o de l   s i m u l a t i o n s   (M o de l   A 2b   c o m pr i s e s   t w o   r e a c t i ng  CS T R s   a n d   t i m e - v a r y i n g   ni t ri f i c a t i o n  p a r a m e t e r s ;   M o n o d  a n d   f i r s t - o r de r   ki n e t i c s   a r e   us e d  f o r   ni t ri f i c a t i o n  i n  f i r s t   a n d   s e c o n d  CS T R ,   r e s pe c t i v e l y ).   E xpe r i m e nt a l   v a l ue s   (s y m bo l s )  a n d  m o de l   c a l c ul a t i o n s   (s o l i d  l i n e )       0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t i m e   [ d a y s ] N O   [ m g / L ]     NO in NO out 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t i m e   [ d a y s ] N O   [ m g / L ]     NO in NO out Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m p  E n g ,   V o l .   10 ,   N o .   1 ,  F e b r ua r y   2020  :     86 8   -   8 80   876       F i gu r e   8 .   Co m p a r i s o n  o f   t h e   V F CW   o ut f l ow   c o n c e n t ra t i o n s   of   (N O 2 - + N O 3 - )   a nd  A 2b   m o de l   o ut put       E s t i m a t e d  pa ra m e t e r s   o f   t h e   de ni t ri f i c a t i o n   r a t e   f o r   m o de l s   A 2,   A 2b   a n d   B 1  a r e   s h o w n   i n  T a b l e   3.   U s i n g  t i m e - v a r y i n g   c o e ff i c i e n t s   o f   r n   a n d  r ap   y i e l de d  a   s l i g ht   de c r e a s e   in   t h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i na t i o n   f o r   (N O 2 - + N O 3 - )   f r o m   0. 7 9  t o   0. 70 .         T a b l e   3 .   M o de l   c a l i b ra t i o n   r e s ul t s   f o r   (N O 2 - + N O 3 - )  f o r m a t i o n   M o d e l   a n d   d e n i t ri f i c a t i o n   r e a c t i o n   ra t e   E s t i m a t e d   p a ra m e t e r s   fo r  d e n i t ri fi c a t i o n   ra t e   Co e ff i c i e n t   o f   d e t e r m i n a t i o n   (R 2 )  f o r   (N O 2 - + N O 3 - )  s i m u l a t i o n   A 2   (t w o   s e r i e s   r e a c t i n g   CS T R s ;   r d =k d m x )   (K d m x 1   a n d   K d m x 2   c o n s t ra i n e d   t o   p o s i t i v e   v a l u e s )   F i r s t   CS T R( M o n o d   k i n e t i c s   i s   u s e d   f o r   n i t ri fi c a t i o n )   K d m x 1 = 0 . 1 6 9   m g / (L d );   S e c o n d   CS T R(F i r s t   o r d e r  k i n e t i c s   i s   u s e d   fo r  n i t r i f i c a t i o n )   K d m x 2 = 6 . 7 × 1 0 - 6   m g / (L d )    0 . 7 9   A 2 b   (i n v o l v e s   t i m e   v a r y i n g   p a ra m e t e r s );   r d =k d m x .     F i r s t   CS T R  ( M o n o d   k i n e t i c s   i s   u s e d   fo r  n i t r i f i c a t i o n )   K d m x 1 = 1 . 0 6 7   m g / (L d );   S e c o n d   CS T R  ( F i r s t   o r d e r  k i n e t i c s   i s   u s e d   fo r   n i t ri f i c a t i o n )   K d m x 2 = 0 . 4 7 3   m g / (L d )    0 . 7 0   B1   (t w o   s e ri e s   C S T Rs ,   w i t h   re a c t i o n   o c c u rri n g   i n   t h e   fi r s t   o n e );   r d =k d m x   F i r s t   CS T R   K d m x 1 = 0 . 7 5 2   m g / (L d )    0 . 6 7       3. 2 .     S e n s i t i v i ty  o f  e s t i m ate d   p a r am e te r s   S e n s i t i v i t y   a na l y s i s   fo r   m o de l   A 2  pa r a m e t e r s   i s   s h o w n   i n   F i gur e   9   ( r e f e r   A ppe n di x   C ) ,   c o n s i s t i n g  of   t h e   e ff e c t   of   pa ra m e t e r s   o n  t h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i na t i o n   r e l a t e d  t o   N H 4 +  s i m ul a t i o n .   T h e   o r de r  of  pa r a m e t e r s ,   f r o m   hi g h e r   t o   l o w e r   e ff e c t   o n   t h e   c o e ff i c i e n t   of   de t e r m i na t i o n   is   k n s 1 ,  k n m x 1 ,  V 2 ,  k a p 2 ,  V 1 ,  k n m x2 ,  k a p 1 .   H e n c e ,   t h e   e s t i m a t e d   k ap1   ha s   t h e   l o w e s t   a c c ur a c y ,   w h e r e a s   e s t i m a t e d  k n s 1   h a s   t h e   h i g h e s t   a c c ur a c y . S e n s i t i v i t y   a na l y s i s   fo r   m o de l   A 2b   pa r a m e t e r s   a n d  B O D   s i m u l a t i o n  i s   s h o w n   i n   F i gu r e   10     (r e f e r   A ppe n d i x   C ) .   T h e   o r de r   o f   pa r a m e t e r s ,   f r o m   hi g h e r   t o   l ow e r   e f fe c t   o n   t h e   c oe ff i c i e n t   o f   d e t e r m i na t i o n  is   k n s 1 ,  k n m x 1 ,  k a p 1 ,   k a p 2 ,   V 2 ,  V 1 ,  k n2 .   H e n c e ,   t h e   e s t i m a t e d   k n2  ha s   t h e   l o w e s t   a c c ur a c y ,   w h e r e a s   e s t i m a t e d   k n s 1   ha s   t h e   h i g h e s t   a c c u r a c y .       4.   C O N C LU S I O N   T h e   c o e ff i c i e n t   o f   de t e r m i na t i o n   b e t w e e n   V F CW   o ut f l ow   c o n c e n t ra t i o n s   o f   N H 4 +   a n d  (N O 2 - + N O 3 - )  a n d  s i m ul a t i o n s   c o n f i rm s   t h e   CS T R - l i ke   b e h a v i o r   o f   V F CW s   s t a t e d  by   [8, 18, 13].   A l s o ,   i t   e n a b l e d    t h e   i de n t i f i c a t i o n   o f   t h e   m o de l   f e a t ur e s   t ha t   l e a d  t o   i m p r o v e d  s i m u l a t i o n s .   I n de e d,   i t   w a s   f o un d  t ha t   t h e   m o de l   c o m pr i s i ng  t w o   r e a c t i n g  s e r i e s   CS T R s   w i t h  pa ra m e t e r   v a l u e s   t ha t   a r e   di f f e r e n t   a m o n g  CS T R s   a nd  t a ke   o n   di s c r e t e   v a l ue s   o ve r   t i m e   i s   s ui t a b l e .   T h e   c a s e s   o f   t w o   a n d  t hr e e   r e a c t i n g  CS T R s   ha v e   s i m i l a r   f i t t i n g  q ua l i t y   a n d  a r e   m o r e   s ui t a b l e   t ha n  a   s i n gl e   r e a c t i n g   CS T R .   T h e   hi g he r   f i t t i n g   qu a l i t y   ob t a i n e d   f o r   r e a c t i o n  p a r a m e t e r s   w i t h   di f f e r e n t   v a l ue s   b e t w e e n   CS T R s   i n   c o m pa r i s o n   t o   t h e   c a s e   w i t h   t h e   s a m e   v a l ue s   i s   i n   a g r e e m e n t   w i t h    t h e   m o de l i ng   s t udy   pe r fo r m e d  by   [16],   w h e r e   di f f e r e n t   p a r a m e t e r   v a l ue s   b e t w e e n   CS T R s   w e r e   us e d   b e c a us e   of   t h e   di f f e r e n t   f e a t u r e s   o f   f i l t e r   m e di a   l a y e r s .       0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 NO out | e x p   [ m g / ( L ) ] NO out | m o d e l   [ m g / ( L ) ] Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m p  E n g     IS S N :   2088 - 8708       U ns t e ad y   s t at e   s e r i e s   CST R   m od e l i ng  of   r e m ov al   of   am m on i a  ni t r oge n  f r om   dom e s t i c   …   ( A l e j an dr o  R i n c ón )   877   T h e   l a c k  o f  po l l ut a n t   m e a s u r e m e nt s   a t   i nt e r m e di a t e   b e d  l oc a t i o n s   di d  n o t   a v o i d  us i ng  s e r i e s   CS T R s   m o de l i ng,   b ut   po s e d  un c e r t a i nt y   o n   t h e   s e t t i n g  o f   t h e   i n i t i a l   t i m e   v a l ue   of   po l l ut a n t   c o n c e n t ra t i o n s .   N e ve r t h e l e s s ,   s e t t i n g  t h i s   v a l ue   a s   t h e   V F CW   o ut f l ow   p o l l ut a nt   c o n c e n t r a t i o n   a t   t h e   i n i t i a l   t i m e   r e s ul t e d  i n  pr o pe r   f i t t i n g  qu a l i t y .   T h e   e s t i m a t e d  c o e ff i c i e n t s   o f   t h e   n i t r i f i c a t i o n   r a t e   i ndi c a t e   t ha t   a   f i r s t - o r de r   e xpr e s s i o n  i s   m o r e   s ui t a b l e   t h a n   M o n o d  e xpr e s s i o n .   I nde e d,   t h e   v a l ue s   o f   M o n o d  h a l f - s a t u r a t i o n   c o n s t a nt   a r e   s i g n i f i c a n t l y   h i g h e r   t ha n   N H 4 +   c o n c e n t r a t i o n.   T h e   di s c r e t i z a t i o n   o f  t h e   c oe ff i c i e n t s   of   t h e   r e a c t i o n   ra t e s   of    t h e   a m m o n i um   ni t r o ge n   m o de l   y i e l de d  a   s i gn i f i c a nt   i m p r o v e m e n t   o f  f i t t i ng  qua l i t y .   T h i s   s t ra t e gy   e n a b l e d   a dd r e s s i n g  t h e   s t a ge d  i n c r e a s e   o f   a m m o ni u m   ni t r o ge n  r e m o va l .   T h e   pa ra m e t e r   s e n s i t i v i t y   a na l y s i s   c o n f i rm s   t ha t   t h e   e s t i m a t e s   c o rr e s po n d  t o   a n  o pt i m um   R 2   v a l ue ,   w h i c h   i s   a t t a i n e d  by   us i n g  t h e   s um   o f   s qua r e s   m i ni m i z a t i o n ,   a n d  i ndi c a t e s   t ha t   m o s t   m o de l   pa ra m e t e r s   h a v e     a   s i g ni f i c a nt   e f fe c t   o n   t h e   R 2   v a l ue .   T o   us e   t h e   m o de l i n g  re s ul t s   for   s i z i ng  o f   V F C w s ,   f ur t h e r   e xpe ri m e n t s   w i t h   d i f f e r e n t   h y dr a ul i c   l o a di n gs   m us t   b e   c o n duc t e d .  F u rt h e rm o r e ,   t h e   l a r ge   s c a l e   V F CW   m us t   ha v e   t h e   s a m e   f e a t ur e s   of   t h e   V F CW   e xpe r i m e nt   (f o r   i n s t a n c e   be d  po r o s i t y ,   v e g e t a t i o n,   f i l t e r   m e di a   de pt h ,   f r e que n c y   of  i n t e r m i t t e nt   l o a d i n g) ,   a nd  i nput   d a t a   m us t   i n c l ude   i n f l o w   r a t e ,   i n f l ow   c o n c e n t ra t i o n s   o f   B O D   a n d   N H 4 + ,   a n d   t h e   c o rr e s po n di n g   t a r ge t   l i m i t   c o n c e n t ra t i o n s .       A C K N O WL ED G E M EN TS   T h e   a ut h o r s   t ha n k  U ni v e r s i d a d  C a t ó l i c a   de   M a ni z a l e s   a nd  U n i v e r s i da d  N a c i o na l   de   Co l o m b i a     S e de   M e de l l í n.       R EF ER EN C ES   [ 1]   A l m e i da ,   A . ,   C a r v a l ho ,   F . ,   I m a g i ná r i o ,   M . ,   C a s t a nh e i r a ,   I . ,   P r a z e r e s ,   A . ,   a n d  R i be i r o ,   C . ,   “ N i t r a t e   r e m o v a l   i n   v e r t i c a l   f l o w   c o ns t r uc t e d  w e t l a n d  p l a n t e d  w i t h  V e t i v e r i a   z i z a no i d e s :   e f f e c t   o f   h y dr a ul i c   l o a d ,”   E c ol og i c a l   E ng . ,     v o l .   99,   p p.   53 5 - 542 ,  2 017 .   [ 2]   M a y o ,   A .   a nd   B i g a m bo ,   T . ,   “ N i t r o g e n  t r a n s f o r m a t i o n  i n   ho r i z o nt a l   s ub s ur f a c e   f l o w   c o ns t r uc t e d   w e t l a nds   I :   m o de l   de v e l o pm e nt ,”   P hy s i c s   a nd  C he m i s t r y   o f   t he   E a r t h ,   v o l .   30 ,   p p.   65 8 - 667 ,  200 5 .   [ 3]   B r i x ,   H .   a nd   A r i a s ,   C . ,   “ T h e   u s e   o f   v e r t i c a l   f l o w   c o ns t r uc t e d   w e t l a n ds   f o r   o n - s i t e   t r e a t m e nt   o f   do m e s t i c   w a s t e w a t e r :   ne w   d a n i s h   g ui d e l i ne s ,”   E c o l og i c a l   E ng . ,   v o l .   25 ,   p p.   49 1 - 500 ,  2 00 5 .   [ 4]   C oo pe r ,   P . ,   “ A   r e v i e w   o f   t he   d e s i g n  a nd   pe r f o r m a nc e   o f   v e r t i c a l - f l o w   a nd  hy br i d  r e e d  b e d  t r e a t m e n t   s y s t e m s ,”   W at e r   Sc i e nc e   a nd   T e c hno l . ,   v o l .   40 ,   pp .   1 - 9 ,  19 99 .   [ 5]   T i l l e y   E . ,   U l r i c h  L . ,   L üt hi   C . ,   R e y m o nd  P . ,   a nd  Z ur br ug g ,   C . ,   C om pe ndi um   o f   Sa ni t a t i on  S y s t e m s   and   T e c hnol o gi e s ,   2nd   e d .   S w i s s   F e d e r a l   I ns t i t u t e   o f   A qua t i c   S c i e nc e   a n d  T e c hno l o gy   ( E a w a g ) ,   p .   1 19 ,  2 014 .   [ 6]   K a nt a w a n i c hkul   S .   A N D   W a nna s r i   S . ,   “ W a s t e w a t e r   t r e a t m e nt   pe r f o r m a nc e s   o f   ho r i z o nt a l   a nd   v e r t i c a l   s u bs u r f a c e   f l o w   c o ns t r uc t e d  w e t l a n d  s y s t e m s   i n  t r o pi c a l   c l i m a t e ,”   So ngk l an ak a r i n  J our na l   of   Sc i e nc e   and  T e c hno l og y ,   v o l .   35 ,   pp.   59 9 - 603 ,  2 013 .     [ 7]   T o r r e s   A . ,   H e r ná nd e z   N . ,   F a u t s o   A . ,   a nd   Z u r i t a   F . ,   “ E v a l ua t i o n  o f   t hr e e   p i l o t - s c a l e   hy br i d  w e t l a n d  s y s t e m s   f o r   ni t r o g e n  r e m o v a l   ( i n  S pa n i s h) ,”   R e v i s t a   I nt e r n ac i ona l   de   C on t am i n ac i ó n  A m bi e nt al ,  v o l .   33 ,   pp .   37 - 47 ,  2 017 .   [ 8]   S a e e d   T .   a nd   S un  G . ,   “ K i ne t i c   m o de l l i ng   o f   ni t r o g e n  a nd  o r g a n i c s   r e m o v a l   i n  v e r t i c a l   a nd  ho r i z o nt a l   f l o w   w e t l a nds ,   W at e r   R e s e ar c h ,   v o l .   4 5,   pp .   313 7 - 3152 ,  2011 .     [ 9]   S un  G .   a nd   S a e e d  T . ,   “ K i ne t i c   m o de l i ng   o f   o r g a ni c   m a t t e r   r e m o v a l   i n  8 0  ho r i z o nt a l   f l o w   r e e d  b e ds   f o r   do m e s t i c   s e w a g e   t r e a t m e n t ,”   P r oc e s s   B i o c he m i s t r y ,  v o l .   4 4,   pp .   717 - 72 2 ,  20 0 9 .   [ 10]   K a r puz c u  M .   a nd   S t r i ng f e l l o w   W . ,   “ K i ne t i c s   o f   ni t r a t e   r e m o v a l   i n  w e t l a nds   r e c e i v i ng   a g r i c ul t u r a l   dr a i n a g e ,”   E c ol ogi c a l   E ng. ,  v o l .   4 2,   pp .   295 - 30 3 ,  20 12 .     [ 11]   G i r a l d i ,   D . ,   de   M i c hi e l i   M . ,   Z a r a m e l l a   M . ,   M a r i o n  A . ,   a nd   I a ne l l i   R . ,   “ H y dr o d y na m i c s   o f   v e r t i c a l   s u bs u r f a c e   f l o w   c o ns t r uc t e d  w e t l a nd s :   t r a c e r   t e s t s   w i t h  r ho da m i ne   W T   a nd  nu m e r i c a l   m o de l l i ng ,”   E c o l og i c a l   E n g. ,  v o l .   35 ,     pp.   26 5 - 273 ,  2 009 .   [ 12]   T o s c a no   A . ,   L a ng e r g r a be r   G . ,   C o ns o l i   S . ,   a nd   C i r e l l i   G . ,   “ M o de l l i ng   po l l ut a nt   r e m o v a l   i n  a   pi l o t - s c a l e   t w o   s t a g e   s ubs ur f a c e   f l o w   c o ns t r uc t e d   w e t l a nd s ,”   E c o l og i c a l   E ng . ,  v o l .   35,   p p .   281 - 289 ,  200 9 .   [ 13]   D a v i e s   L . ,   V a c a s   A . ,   N ov a i s   J . ,   F r e i r e   F . ,   a nd   M a r t i ns - D i a s   S . ,   “ V e r t i c a l   f l o w   c o ns t r uc t e d  w e t l a n d  f o r   t e xt i l e   e f f l ue nt   t r e a t m e nt ,”   W at e r   S c i e nc e   a nd   T e c hno l og y ,  v o l .   55,   p p.   11 2 7 - 134 ,  20 07 .   [ 14]   L a ng e r g r a be r   G . ,   G i r a l d i   D . ,   M e n a   J . ,   M e y e r   D . ,   P e ña   M . ,   T o s c a no   A . ,   B r o v e l l i   A . ,   a nd   K o r ku s uz   A . ,   “ R e c e n t   de v e l o pm e nt s   i n  num e r i c a l   m o de l l i ng   o f   s ub s ur f a c e   f l o w   c o ns t r uc t e d  w e t l a nd s ,”   S c i e nc e   o f   t he   T o t al   E n v i r onm e nt ,  v o l .   407 ,   pp.   3 931 - 394 3 ,  20 09 .   [ 15]   G i r a l d i   D . ,   d e   M i c hi e l i   M . ,   a nd   I a nne l l i   R . ,   “ F I T O V E R T :   a   d y na m i c   num e r i c a l   m o de l   o f   s ubs u r f a c e   v e r t i c a l   f l o w   c o ns t r uc t e d   w e t l a nd s ,”   E n v i r onm e nt al   M ode l l i ng  &   So f t w ar e ,  v o l .   2 5,   pp .   633 - 640 ,  201 0 .    [ 16]   X ua n  Z . ,   C ha ng   N . ,   D a r a npo b  A . ,   a nd   W a ni e l i s t a   M . ,   “ M o de l i ng   s ubs ur f a c e   upf l o w   w e t l a nd s   s y s t e m s   f o r   w a s t e w a t e r   e f f l u e nt   t r e a t m e nt ,”   E n v i r onm e nt al   E ng i ne e r i n g  S c i e nc e ,  v o l .   27 ( 10 ) ,   pp .   879 - 88 8 ,  20 10 .   [ 17]   P a l f y   T. ,   G o ur do n  R . ,   M e y e r   D . ,   T r o e s c h  S . ,   a nd   M o l l e   P . ,   “ M o de l - ba s e d  o pt i m i z a t i o n  o f   c o ns t r uc t e d  w e t l a nd s   t r e a t i ng   c o m bi ne d   s e w e r   o v e r f l o w ,”   E c o l og i c a l   E ng . ,  v o l .   101 ,   pp .   261 - 267 ,  2017 .     [ 18]   S a e e d   T .   a nd   S un  G . ,   “ T h e   r e m o v a l   o f   ni t r o g e n  a nd  o r g a n i c s   i n   v e r t i c a l   f l o w   w e t l a nd   r e a c t o r s :   pr e d i c t i v e   m o de l s ,”   B i or e s o ur c e   T e c hno l . ,  v o l .   10 2,   pp .   120 5 - 1213 ,  2011 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.